KR20080103527A

KR20080103527A - 백색 발광 장치들

Info

Publication number: KR20080103527A
Application number: KR1020087019982A
Authority: KR
Inventors: 세스 에이. 코에-설리반; 블라디미르 불로빅; 조나단 스텍켈; 마운기 쥐. 바웬디; 폴리나 오. 아니케바; 조나단 이. 할퍼트
Original assignee: 메사츄세츠 인스티튜트 어브 테크놀로지
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-11-27
Also published as: US9093657B2; JP2009527099A; WO2007095173A2; EP1989725A4; EP1989725A2; WO2007095173A3; US20100001256A1; EP1989725B1

Abstract

백색 발광 반도체 나노결정은 다수의 반도체 나노결정들을 포함한다.

Description

백색 발광 장치들{WHITE LIGHT EMITTING DEVICES}

본 출원은 2006년 2월 14일 출원된 미국출원 60/773,119에 대한 우선권 및 2006년 10월 10일 출원된 미국출원 60/828,909에 대한 우선권을 주장하고, 각각은 전체적으로 참조로써 통합된다.

본 발명은 반도체 나노결정들을 포함하는 백색 발광 장치들에 관한 것이다.

미국 정부는 Institute for Soldier Nanotechnologies를 통하여 U.S. Army Research Office로부터의 승인 번호 DAAD-19-02-0002 및 National Science Foundation으로부터의 승인 번호 DMR 0213282에 따라 본 발명의 특정 권리를 가질 수 있다.

작은 직경들을 가진 반도체 나노결정들은 물질의 벌크 형태와 분자 사이에 개재하는 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 작은 직경들을 가진 반도체 재료들을 바탕으로 하는 나노결정들은 모든 3차원에서 전자 및 홀 양쪽의 양자(quantum) 제한을 나타내고, 이런 3차원은 나노결정 크기를 감소시킴과 함께 재료의 유효 밴드 갭의 증가를 유도한다. 결과적으로, 나노결정들의 광학 흡수 및 방출물 양쪽은 나노결정들의 크기가 감소할 때 청색(즉, 보다 높은 에너지로)으로 이동한다. 반도체 나노결정들은 방출 파장이 나노결정들의 크기 및 재료로 조절할 수 있는 좁은 형광 대역을 가질 수 있다.

발광 장치들은 예를 들어 디스플레이들(예를 들어, 평판 디스플레이), 스크린들(예를 들어, 컴퓨터 스크린들), 및 조명을 요구하는 다른 아이템들에 사용될 수 있다. 따라서, 발광 장치의 휘도는 상기 장치의 중요 특징이다. 또한, 낮은 작동 전압 및 높은 효율성은 형성한 발광 장치들의 생존력을 개선시킨다. 많은 애플리케이션들에서, 긴 장치 수명이 바람직하다.

안정한 백색 발광 재료들은 디스플레이 애플리케이션들에 몹시 바람직하다. 발광 반도체 나노결정들은 유기 발광 화합물들보다 안정할 수 있다. 반도체 나노결정들은 또한, 유기 화합물들과 비교하여 좁은 방출 대역 폭들을 가질 수 있다.

일반적으로, 발광 장치는 다수의 반도체 나노결정들을 포함하는 방출 층을 포함하고, 상기 다수의 반도체 나노결정들은 여기(excitation) 중에 백색 광을 생성한다. 다수의 나노결정들은 적색, 녹색 및 청색 발광 나노결정들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 나노결정들은 코어를 포함할 수 있다. 나노결정은 코어상 오버코팅(overcoating)을 포함할 수 있다. 오버코팅은 제 2 반도체 재료를 포함할 수 있다. 장치는 적어도 0.20%의 외부 양자 효율성을 가질 수 있다. 장치는 (0.35, 0.41)의 CIE 좌표들을 가질 수 있다. 상기 장치는 5500K 흑체(black body) 참조물과 비교할 때 86의 연색 지수(color rendering index: CRI)를 가질 수 있다.

다른 측면에서, 발광 장치는 제 1 전극, 제 1 전극과 접촉하는 홀 주입 층, 홀 주입 층과 접촉하는 홀 전달 층, 홀 전달 층과 접촉하는 홀 차단 층, 홀 차단 층과 접촉하는 전자 전달 층, 전자 전달 층과 접촉하는 제 2 전극, 및 전자 전달 층 및 홀 차단 층 사이에 다수의 반도체 나노결정들을 포함하고, 상기 다수의 반도체 나노결정들은 여기될 때 적어도 두 개의 별개의 컬러 방출물들을 포함한다.

제 1 전극은 투명 전극일 수 있다. 홀 주입 층은 도전성 중합체(conducting polymer)를 포함할 수 있다. 홀 전달 층은 벤지딘을 포함할 수 있다. 홀 차단 층은 트리아졸을 포함할 수 있다. 전자 전달 층은 금속 복합체를 포함할 수 있다. 제 2 전극은 금속을 포함할 수 있다. 다수의 반도체 나노결정들은 여기될 때 적어도 3개의 별개의 컬러 방출물들을 포함한다. 각각의 별개의 컬러 방출물은 다수의 반도체 나노결정들의 광(光)루미네선스(photoluminescence) 스펙트럼에서 최대의 로컬 방출물이다.

반도체 나노결정들은 발광 장치에서 루모포어(lumophore)로서 사용될 수 있다. 반도체 나노결정들이 좁은 방출 선폭들을 가질 수 있고, 효과적인 광(光)루미네선트일 수 있고, 조절할 수 있는 방출 파장을 가질 수 있기 때문에, 상기 반도체 나노결정들은 바람직하게 루모포어일 수 있다. 반도체 나노결정들은 액체로 분산될 수 있고 그러므로 스탬핑, 프린팅, 스핀 캐스팅, 드롭 캐스팅, 및 딥 코팅 같은 박막 증착 기술들과 호환할 수 있다. 그러나, 이들 증착 기술들로부터 발생하는 벌크 반도체 나노결정 고형물들은 고형 상태 발광 장치들에서 빈약한 전기 전달 특성들을 가진다. 고형의 벌크보다, 반도체 나노결정들의 나노층은 발광 장치에 사용될 수 있다. 모노층은 전기 성능에 충격을 최소화하면서 반도체 나노결정들의 바람직한 발광 특성들을 제공한다.

홀 전달 또는 전자 전달 층들(또는 모두)에 대한 유기 재료들을 사용하는 장치들은 높은 효율성의 전기 대 광 전환을 가지지만, 유기 재료들의 고유 불안정성들로 인해 짧은 수명을 겪을 수 있다. 무기 나노결정들 자체는 광(光)루미네선스 연구들에서 명백한 바와 같이 유기 루모포어 대응물들보다 본래 많이 안정할 수 있다. 발광을 위한 반도체 나노결정들 및 전기 전달을 위한 무기 반도체들을 사용하는 발광 장치(LED)는 우수한 광전기 성능 및 오랜 기간의 안정성을 달성할 수 있다. 무기 반도체들은 스퍼터링, 진공 기상 증착, 잉크 젯 프린팅, 또는 이온 도금 같은 저온 방법에 의해 증착될 수 있다.

반도체 나노결정들은 마이크로콘택 프린팅을 사용하여 기판 상에 증착될 수 있다. 바람직하게, 마이크로콘택 프린팅은 표면상에 마이크로 스케일 또는 나노 스케일(예를 들어 1mm 이하, 500㎛ 이하, 200㎛ 이하, 100㎛ 이하, 25㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하)의 특징(feature)들의 패터닝을 허용한다. 특히, 반도체 나노결정들의 모노층은 마이크로콘택 프린팅에 의해 증착될 수 있다. 이런 방법은 표면상에 패턴화된 반도체 나노결정 필름의 실질적으로 건식(즉, 실질적으로 용매없는) 애플리케이션을 허용할 수 있다. 보다 다양한 기판들이 사용될 수 있는데, 그 이유는 기판의 선택은 용해도 및 표면 화학 요구조건들에 의해 제한되지 않기 때문이다. 예를 들어, 전체적으로 참조로써 통합된 2005년 10월 21일 출원된 미국출원 11/253,612를 참조하라.

다른 측면에서, 장치를 형성하는 방법은 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 다수의 반도체 나노결정들을 포함하는 층을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 다수의 반도체 나노결정들은 예를 들어 프린팅, 스탬핑, 또는 그렇지 않으면 표면상에 나노결정들을 증착하는 것에 의해 여기 시 백광을 생성한다. 광을 생성하는 방법은 장치의 제 1 전극과 제 2 전극에 걸쳐 광-생성 전위(light-generating potential)를 인가하는 것을 포함한다. 디스플레이는 다수의 발광 장치들을 포함할 수 있다.

하이브리드 유기/무기 구조에서 혼합된 적색, 녹색 및 청색 발광 콜로이드 나노결정들의 모노층으로부터의 전자 발광(electroluminescence)을 바탕으로 하는 백-광 LED들은 생성될 수 있다. 콜로이드 나노결정들은 높은 발광성을 허용할 수 있고 장치 애플리케이션들에 대한 재생 가능한 혼합된 나노결정 재료들이 사용된다. 백색 나노결정 LED들은 0.36%의 외부 양자 효율성들, 비디오 휘도에서 (0.35,0.41)의 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage) 좌표들, 및 5500K 흑체 참조물과 비교할 때 86의 연색 지수(CRI)를 나타낼 수 있다. 유기 전하 전달 층들 및 혼합된 나노결정 발광층의 독립적인 처리는 전자 발광 층에 여러가지 컬러 나노결정들의 비율을 간단히 변화시킴으로써 장치 구조를 변화시키지 않고 방출 스펙트럼의 정밀한 조절을 허용한다. 상기된 장치들은 고형 조명 및 정보 디스플레이 애플리케이션들에서 백색 나노결정 LED들의 차후 용도를 제안한다.

본 발명의 다른 특징들, 목적들, 및 장점들은 상세한 설명 및 도면들, 및 청구항들로부터 명백할 것이다.

도 1은 발광 장치를 도시하는 개략적인 도면이다.

도 2는 발광 장치에 대한 외부 양자 효율성 대 전압을 나타내는 도면이다.

도 3(a)는 40nm 두께 TPD 필름의 상부 상에 대략 1.1 모노층들을 형성하는 청색 발광 반도체 나노결정들(QDs)의 원자력 현미경 상 이미지를 도시하는 도면이고; (b)는 백색 QD-LED들의 장치 단면도를 도시하는 도면이고; 및 (c)는 10V의 인가된 순방향 바이어스에서 작동시 백색 QD-LED를 도시하는 사진이다.

도 4(a)는 적색 및 청색 발광 QD 스펙트럼 성분들의 상대적 세기가 보다 높은 바이어스들에서 녹색 QD 성분과 비교하여 증가하는, 증가하여 인가된 전압들의 세트에 대해 백색 QD-LED의 표준화된(normalized) EL 스펙트럼을 도시하는 도면이고; (b)는 적색, 녹색 및 청색 단색 QD-LED들(각각, 적색, 녹색 및 청색 라인들)의 표준화된 전자 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이고; 및 (c)는 적색, 녹색, 청색 QD-LED들(삼각형들)의 CIE 좌표들을 도시하는 도면이고, 여기서 원형 심볼들은 CIE 좌표들 및 인가된 바이어스의 증가시 백색 QD-LED들의 CRI의 전개를 도시한다.

도 5는 각각 적색, 녹색, 청색 및 검정색 라인들로 라벨이 붙은(labeled) 적색, 녹색, 청색 및 백색 QD-LED들에 대해 측정된 전류-전압 특성들(a) 및 외부 전자발광 양자 효율성(b)을 도시하는 도면이다. 화살표들은 100cd/m²의 휘도 값들을 가리킨다.

도 6은 이런 연구의 QD-LED들에 대한 제안된 대역 구조를 도시하는 도면이다. 적색 QD들에 대한 도전성 및 원자가 대역 위치는 적색 에너지 레벨들로 라벨이 붙고; 음영 영역들은 녹색 및 청색 발광 QD들의 도전성 및 원자가 대역들에 대한 가능한 에너지 레벨들 위치들의 범위를 도시한다.

도 7은 40nm FWHM 스펙트럼 방출물을 각각 가지는 5개의 QD 루모포어들을 사용한 시뮬레이트된 QD-LED 백광 소스를 도시하는 도면이다. 복합 방출 스펙트럼은 스펙트럼의 자외선 및 적외선 부분에 광자들을 낭비하지 않으면서 CRI=98의 연색 지수를 가진다. 중첩은 T=5500K를 가진 흑체 소스의 방출 스펙트럼이다.

도 8은 스펙트럼 오버랩들을 나타내는 각각 라벨이 붙은 TPD 및 Alq₃ 광(光)루미네선스 스펙트럼과 함께 각각 라벨이 붙은 적색, 녹색 및 청색 발광 반도체 나노결정("QD") 흡수 스펙트럼을 도시하는 도면이다.

백색 광을 방출할 수 있는 발광 장치는 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 2006년 2월 14일에 출원된 미국출원 60/773,119에 기술된다.

작은 직경들을 가진 나노결정들은 물질의 분자와 벌크 형태 사이에 개재하는 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 작은 직경들을 가진 반도체 재료들을 바탕으로 하는 나노결정들은 모두 3차원에서 전자 및 홀 모두의 양자 제한을 나타내고, 이런 3차원은 결정 크기 감소와 함께 재료의 효율적인 대역 갭의 증가를 유도한다. 결과적으로, 나노 결정들의 광학 흡수 및 방출물은 결정 크기가 감소할 때 청색, 또는 보다 높은 에너지로 이동한다.

나노결정으로부터의 방출물은 나노결정의 크기, 나노결정의 구성물, 또는 양쪽을 변화시킴으로써 스펙트럼의 자외선, 가시선, 또는 적외선 영역들의 완전한 파장 범위를 통하여 조절될 수 있는 좁은 가우스 방출 대역을 가질 수 있다. 나노결 정들의 개체들(population)의 좁은 크기 분산은 좁은 스펙트럼 범위에서 발광을 유발한다. 상기 개체는 모노확산할 수 있고 나노결정들의 직경의 15% rms 편차 이하, 바람직하게 10% 이하, 보다 바람직하게 5% 이하을 나타낼 수 있다. 볼 수 있게 방출하는 나노결정들에 대한 하프 최대치(FWHM)에서의 약 75nm, 바람직하게 60nm, 보다 바람직하게 40nm, 및 가장 바람직하게 30nm 전체 폭보다 크지 않은 좁은 범위의 스펙트럼 방출물은 관찰될 수 있다. IR 방출 나노결정들은 150nm, 또는 100nm보다 크지 않은 FWHM(full width at half max)을 가질 수 있다. 방출 에너지 측면에서 표현하면, 방출물은 0.05eV, 또는 0.03eV보다 크지 않은 FWHM을 가질 수 있다. 방출물의 폭은 나노결정 직경들의 분산도가 감소할 때 감소한다. 반도체 나노결정들은 예를 들어, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 또는 80%보다 큰 높은 방출 양자 효율성들을 가질 수 있다.

나노결정들을 형성하는 반도체는 그룹 Ⅱ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅱ-Ⅴ 화합물, 그룹 Ⅲ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅲ-Ⅴ 화합물, 그룹 Ⅳ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ 화합물, 또는 그룹 Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ 화합물, 예를 들어 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, TlSb, PbS, PbSe, PbTe, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 반도체는 예를 들어 CdS 및 ZnS의 합금 같은 그룹 Ⅱ-Ⅵ 화합물들의 합금일 수 있다.

모노분산 반도체 나노결정들을 준비하는 방법들은 뜨거운 배위 용매에 주입된 디메틸 카드뮴 같은 유기금속 반응물들의 열분해를 포함한다. 이것은 이산 결 정핵생성을 허용하고 나노결정들의 거시적 양들의 제어된 성장을 유도한다. 나노결정들의 제공 및 조절은 전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 미국특허 6,322,901 및 6,576,291 및 미국특허 출원번호 60/550,314에 기술된다. 나노결정 제조 방법은 콜로이드 성장 처리이다. 콜로이드 성장은 M 도너 및 X 도너를 뜨거운 배위 용매에 빠르게 주입함으로써 발생한다. 상기 주입은 나노결정을 형성하기 위하여 제어된 방식으로 성장될 수 있는 핵을 형성한다. 반응 혼합물은 나노결정을 성장 및 어닐링하기 위하여 서서히 가열될 수 있다. 샘플에서 나노결정들의 평균 크기 및 크기 분산 모두는 성장 온도에 따른다. 안정된 성장을 유지하기 위하여 필요한 성장 온도는 평균 결정 크기를 증가시킴에 따라 증가한다. 나노결정은 나노결정 개체들의 부재이다. 이산 결정핵생성 및 제어된 성장의 결과로, 얻어진 나노결정들의 개체는 직경들의 좁은 모노분산 분배를 가진다. 직경들의 모노분산 분배는 또한 크기라 불릴 수 있다. 결정핵생성 후 배위 용매에서 나노결정들의 제어된 성장 및 어닐링의 처리는 균일한 표면 유도 및 규칙적 코어 구조들을 발생시킬 수 있다. 크기 분배가 날카로울 때, 온도는 안정된 성장을 유지하기 위하여 상승될 수 있다. 많은 M 도너 또는 X 도너를 부가함으로써, 성장 기간은 짧아질 수 있다.

M 도너는 무기 화합물, 유기금속 화합물, 또는 엘리먼트 금속일 수 있다. M은 카드뮴, 아연, 마그네슘, 수은, 알루미늄, 갈륨, 인듐 또는 탈륨이다. X 도너는 일반 방정식 MX를 가진 재료를 형성하기 위하여 M 도너와 반응할 수 있는 화합물이다. 통상적으로, X 도너는 포스핀 칼코겐나이드, 비스(실릴)칼코겐나이드, 디 옥시겐, 암모늄 솔트, 또는 트리스(실릴)닉타이드 같은 칼코겐나이드 도너 또는 닉타이드 도너(pnictide donor)이다. 적당한 X 도너들은 디옥시겐, 비스(트리메틸실릴)셀레나이드((TMS)₂Se), (트리-n-옥틸포스핀)셀레나이드(TOPSe) 또는 (트리-n-부틸포스핀) 셀레나이드(TBPSe) 같은 트리알킬 포스핀 셀레나이드들, (트리-n-옥틸포스핀) 텔루라이드(TOPTe) 또는 헥사프로필포스포러스트리아미드 텔루라이드(HPPTTe) 같은 트리알킬포스핀 텔루라이드, 비스(트리메틸실릴)텔루라이드((TMS)₂Te), 비스(트리메틸실릴)설파이드((TMS)₂S), (트리-n-옥틸포스핀)설파이드(TOPS) 같은 트리알킬 포스핀 설파이드, 암모늄 할라이드(예를 들어, NH₄Cl) 같은 암모늄 솔트, 트리스(트리메틸실릴)인화물((TMS)₃P), 트리스(트리에틸실릴) 비화물((TMS)₃As), 또는 트리스(트리에틸실릴) 안티모나이드((TMS)₃Sb)를 포함한다. 특정 실시예들에서, M 도너 및 X 도너는 동일한 분자내의 반족들(moieties)일 수 있다.

배위 용매는 나노결정의 성장 제어를 도울 수 있다. 배위 용매는 예를 들어 성장하는 나노결정의 표면에 배위하는데 사용할 수 있는 홀로(lone) 전자 쌍을 가진 도너 홀로 쌍을 가진 화합물이다. 용매 배위는 성장하는 나노결정을 안정화시킬 수 있다. 통상적인 배위 용매들은 알킬 포스핀들, 알킬 포스핀 옥사이드들, 알킬 포스포닉 액시드들, 또는 알킬 포스피닉 액시드들을 포함하지만, 피리딘, 푸란, 및 아민 같은 다른 배위 용매들도 나노결정 제조에 적당할 수 있다. 적당한 배위 용매들의 예들은 피리딘, 트리-n-옥틸 포스핀(TOP), 트리-n-옥틸 포스핀 옥사이드(TOPO) 및 트리스-하이드록실프로필포스핀(tHPP)를 포함한다. 기술적 등급 TOPO는 사용될 수 있다.

반응의 성장 스테이지 동안 크기 분배는 입자들의 흡수 라인 폭들을 모니터링함으로써 평가될 수 있다. 입자들의 흡수 스펙트럼의 변화들에 응답하여 반응 온도의 변형은 성장 동안 날카로운 입자 크기 분배의 유지를 허용한다. 반응물들은 보다 큰 결정들을 성장시키기 위하여 결정 성장 동안 결정핵생성 용액에 부가될 수 있다. 입자 나노결정 평균 직경의 성장을 정지시키고 반도체 재료의 적당한 구성물을 선택함으로써, 나노결정의 방출 스펙트럼은 CdSe 및 CdTe에 대해 300nm 내지 5 마이크론, 또는 400nm 내지 800nm의 파장 범위에 걸쳐 연속적으로 조절될 수 있다. 나노결정은 150Å 이하의 직경을 가진다. 나노결정들의 개체는 15Å 내지 125Å 범위의 평균 직경들을 가진다.

나노결정은 좁은 크기 분배를 가진 나노결정들의 개체의 부재일 수 있다. 나노결정은 구형, 봉형, 디스크형 또는 다른 모양일 수 있다. 나노결정은 반도체 재료의 코어를 포함할 수 있다. 나노결정은 식 MX를 가진 코어를 포함할 수 있고, 여기서 M은 카드뮴, 아연, 마그네슘, 수은, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 또는 이들의 혼합물이고, X는 산소, 황, 셀레늄, 텔루르, 질소, 인, 비소물, 안티몬, 또는 이들의 혼합물들이다.

코어는 코어의 표면 상에 오버코팅을 가질 수 있다. 오버코팅은 코어의 구성물과 다른 구성물을 가진 반도체 재료일 수 있다. 나노결정의 표면 상에 반도체 재료의 오버코트는 그룹 Ⅱ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅱ-Ⅴ 화합물, 그룹 Ⅲ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅲ-Ⅴ 화합물, 그룹 Ⅳ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물, 그룹 Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ 화합물, 및 그룹 Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ 화합물, 예를 들어 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, TlSb, PbS, PbSe, PbTe, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 예를 들어 ZnS, ZnSe 또는 CdS 오버코팅들은 CdSe 또는 CdTe 나노결정들 상에서 성장될 수 있다. 오버코팅 처리는 예를들어 미국특허 6,322,901에 기술된다. 오버코팅 동안 반응 혼합물의 온도를 조절하고 코어의 흡수 스펙트럼을 모니터링함으로써, 높은 방출 양자 효율성들 및 좁은 크기 분배들을 가진 오버코팅된 재료들은 얻어질 수 있다. 오버코팅은 1 및 10 모노층들 사이의 두께일 수 있다.

입자 크기 분배는 미국특허 6,322,901에 기술된 바와 같은 메탄올/부탄올 같은 나노결정들을 위한 빈약한 용매를 가진 크기 선택 침전물에 의해 추가로 정제될 수 있다. 예를 들어, 나노결정들은 헥산에서 10% 부탄올의 용액에 분산될 수 있다. 메탄올은 유백광(opalescence)이 지속될 때까지 이런 활발한 용액(stirring solution)에 방울 형태(dropwise)로 부가될 수 있다. 원심분리에 의한 상청액 및 플러큘레이트(flocculate)의 분리는 샘플에 가장 큰 결정이 부유화된 침전물을 형성한다. 이런 과정은 광학 흡수 스펙트럼의 추가 날카로움이 주목되지 않을 때까지 반복된다. 크기 선택 침전은 피리딘/헥산 및 클로로폼/메탄올을 포함하는 다양한 용매/비용매 쌍들에서 수행될 수 있다. 크기 선택된 나노결정 개체는 평균 직 경으로부터 단지 15% rms 편차, 바람직하게 10% rms 편차 또는 그 이하, 및 보다 바람직하게 5% rms 편차 또는 그 이하를 가질 수 있다.

나노결정의 외부 표면은 성장 처리 동안 사용된 배위 용매로부터 유도된 화합물들을 포함할 수 있다. 상기 표면은 반복된 노출에 의해 경쟁하는 배위 그룹의 초과까지 변형될 수 있다. 예를 들어, 캡핑된 나노결정의 분산은 피리딘, 메탄올, 및 방향족들에서 용이하게 분산하지만 지방족 용매들에서 더 이상 분산하지 않는 결정들을 형성하기 위하여 피리딘 같은 배위 유기 화합물로 처리된다. 상기 표면 교환 처리는 예를 들어 포스핀들, 티올들, 아민들 및 인산염들을 포함하는 나노결정의 외부 표면과 배위하거나 본딩할 수 있는 임의의 화합물로 수행될 수 있다. 나노결정은 표면에 대한 친화력을 나타내고 현탄액 또는 분산 매체에 대한 친화력을 가진 반족에서 종료하는 짧은 체인 중합체들에 노출될 수 있다. 상기 친화력은 현탄액의 안정성을 개선하고 나노결정의 플로큘레이션을 방해한다. 나노결정 배위 화합물들은 예를 들어, 전체적으로 참조로써 통합된 미국특허 번호 6,251,303에 기술된다.

보다 특히, 배위 리간드는 하기 식을 가질 수 있다:

여기서 k는 2,3 또는 5이고 n은 1,2,3,4 또는 5이므로 k-n은 영보다 작지 않고; X는 O,S, S=0, SO₂, Se, Se=0, N, N=O, P, P=O, As, 또는 As=O이고; 각각의 Y 및 L은 독립적으로 아릴, 헤테로아릴, 또는 적어도 하나의 이중결합, 적어도 하나 의 삼중 결합, 또는 적어도 하나의 이중 결합 및 하나의 삼중 결합을 선택적으로 포함하는 직선형 또는 브랜치 C₂ _-12 하이드로카본 체인이다. 하이드로카본 체인은 선택적으로, 하나 이상의 C₁ _-4 알킬, C₂ _-4 알케닐, C₂ _-4 알키닐, C₁ _-4 알콕시, 하이드록실, 할로, 아미노, 니트로, 시아노, C₃ _-5 사이클로알킬, 3-5 원환(membered) 헤테로사이클로알킬, 아릴, 헤테로아릴, C₁ _-4 알킬카르보닐록시, C₁ _-4 알킬옥시카르보닐, C₁ _-4 알킬카르보닐, 또는 포밀로 치환될 수 있다. 하이드로카본 체인은 선택적으로

에 의해 인터럽트될 수 있다. 각각의 R^a 및 R^b는 독립적으로 하이드로겐, 알킬, 알케닐, 알키닐, 알콕시, 하이드록실알킬, 하이드록실, 또는 할로알킬이다.

아릴 그룹은 치환되거나 치환되지 않은 주기적 방향족 그룹이다. 예들은 페닐, 벤질, 나프틸, 톨릴, 안트라실, 니트로페닐, 또는 할로페닐을 포함한다. 헤테로아릴 그룹은 예를 들어 푸릴, 피리딜, 피롤릴, 또는 페난트릴인 링 내의 하나 이상의 헤테로원자들을 가진 아릴 그룹이다.

적당한 배위 리간드는 전체적으로 참조로써 통합된 J. March, Advanced Organic Chemisry에 기술된 바와 같은 정규 합성 유기 기술들에 의해 상업적으로 구매되거나 준비될 수 있다.

투과형 전자 현미경(TEM)은 나노결정 개체의 크기, 모양, 및 분배에 관한 정보를 제공할 수 있다. 분말 X선 회절(XRD) 패턴들은 나노결정들의 결정 구조의 타입 및 품질에 관한 가장 완벽한 정보를 제공할 수 있다. 크기의 평가(estimate)는 또한, 입자 직경이 X선 코히어런스 길이를 통하여 피크 폭에 대해 역으로 관련되므로 가능하다. 예를 들어, 나노결정의 직경은 투과형 전자 현미경에 의해 직접 측정되거나 예를 들어 쉐러 식(Scherrer equation)을 사용하여 X선 회절로부터 평가될 수 있다. 또한 UV/Vis 흡수 스펙트럼으로부터 평가될 수 있다.

5 및 15 나노미터 사이의 직경, 예를 들어 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 또는 15nm의 직경을 가진 아연, 카드뮴 및 황, 예를 들어 ZnCdS, ZnS 및 CdS의 합금을 포함하는 코어를 구비한 나노결정은 조사선(irradiation)에 의해 여기될 때 광을 방출할 수 있다.

나노결정들은 20-40% 양자 수율을 가질 수 있다. ZnCdS 합금 나노결정들은 예를 들어 40%-60%까지 양자 수율을 증가시키는 예를 들어 ZnS로 오버코팅될 수 있다. 이들 재료들은 나노결정들의 구성물 및/또는 직경을 조절함으로써 25-30nm의 전체 폭 반쪽 최대치를 가진 415nm 내지 510nm를 방출시키기 위하여 조절될 수 있다.

발광 장치는 장치의 두 개의 전극들을 분리하는 두 개의 층들을 포함할 수 있다. 하나의 층의 재료는 홀들을 전달하기 위한 재료의 능력, 또는 홀 전달 층(HTL)을 바탕으로 선택될 수 있다. 다른 층의 재료는 전자들을 전달하기 위한 재료 능력, 또는 전자 전달 층(ETL)을 바탕으로 선택될 수 있다. 전자 전달 층은 통상적으로 전자발광 층을 포함한다. 전압이 인가될 때, 하나의 전극은 홀들(양의 전하 캐리어들)을 홀 전달 층에 주입하고, 다른 전극은 전자들을 전자 전달 층에 주입한다. 주입된 홀들 및 전자들은 각각 반대 전하 전극쪽으로 이동한다. 전자 및 홀이 동일한 분자상에 배치할 때, 여기는 형성되고, 광을 방출하기 위하여 재결합할 수 있다. 상기 장치는 HTL 및 ETL 사이의 방출 층을 포함할 수 있다. 방출 층은 방출 파장 또는 선폭 같은 방출 특성들에 대해 선택된 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 각각 통합된 2005년 3월 4일 출원된 미국출원 11/071,244 및 2006년 2월 15일 출원된 미국출원 11/354,185를 참조하라. 청색 발광 장치는 백색 발광 장치의 일부일 수 있다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 2006년 2월 14일에 출원된 미국출원 60/773,119를 참조하라.

발광 장치는 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있고, 여기서 제 1 전극(2), 전극(2)와 접촉하는 제 1 층(3), 층(3)과 접촉하는 제 2 층(4), 및 제 2 층(4)과 접촉하는 제 2 전극(5)이 도시된다. 제 1 층(3)은 홀 전달 층일 수 있고 제 2 층(4)은 전자 전달 층일 수 있다. 적어도 하나의 층은 비중합체일 수 있다. 층들은 무기 재료를 포함할 수 있다. 구조의 전극들 중 하나는 기판(1)과 접촉한다. 각각의 전극은 구조 양단에 전압을 제공하기 위하여 전력 공급기와 접촉할 수 있다. 전자 발광은 적당한 극성의 전압이 헤테로구조 양단에 인가될 때 헤테로구조의 방출 층에 의해 형성될 수 있다. 제 1 층(3)은 예를 들어 실질적으로 나노결정들의 모노분산 개체인 다수의 반도체 나노결정들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 분리 방출 층(도 1에 도시되지 않음)은 홀 전달 층 및 전자 전달 층 사이에 포 함될 수 있다. 분리된 방출 층은 다수의 나노결정들을 포함할 수 있다. 나노결정들을 포함하는 층은 나노결정들의 모노층일 수 있다. 대표적인 효율성들은 도 2에 도시된다.

반도체 나노결정들을 포함하는 발광 장치들은 HTL 유기 반도체 분자들 및 반도체 나노결정을 포함하는 스핀 캐스팅 용액에 의해 만들어질 수 있고, 여기서 HTL은 위상 분리를 통하여 반도체 나노결정 모노층 아래에 형성된다(전체적으로 참조로써 각각 통합된 2003년 3월 28일 출원된 미국특허 출원 10/400,907 및 미국특허출원 공개번호 2004/0023010 참조). 이런 위상 분리 기술은 재생 가능하게 유기 반도체 HTL 및 ETL 사이의 반도체 나노결정들의 모노층에 배치되고, 이에 따라 전기 성능에 충격을 최소로하면서, 반도체 나노결정들의 바람직한 발광 특성들을 효과적으로 이용한다. 이런 기술에 의해 이루어진 장치들은 용매들의 불순물들, 반도체 나노결정들과 동일한 용매들에 용해될 수 있는 유기 반도체 분자들을 사용할 필요성에 의해 제한된다. 위상 분리 기술은 HTL 및 HIL 양쪽의 상부에 반도체 나노결정들의 모노층을 증착하기에 적당하지 않다(아래 놓인 유기 박막을 파괴하는 용매로 인해). 위상 분리 방법은 동일한 기판상에 다른 컬러들을 방출하는 반도체 나노결정들의 위치 제어를 허용하지 않고; 동일한 기판상에서 다른 컬러 방출 나노결정들의 패터닝을 가능하게 하지도 않는다.

게다가, 전달 층들(즉, 홀 전달, 홀 주입, 또는 전자 전달 층)에 사용된 유기 재료들은 방출 층에 사용된 반도체 나노결정들보다 덜 안정적일 수 있다. 결과적으로, 유기 재료들의 작동 수명은 장치 수명을 제한한다. 전달 층들에서 보다 긴 수명 재료들을 가지는 장치는 보다 길게 지속하는 발광 장치를 형성하기 위하여 사용될 수 있다.

기판은 불투명하거나 투명할 수 있다. 투명 기판은 투명 LED의 제조에 사용될 수 있다. 예를 들어 Bulovic, V. 등에 의한, Nature 1996,380,29; 및 Gu, G 등에 의한 Appl.Phys.Lett.1996,68,2606-2608을 참조하고, 그 각각은 전체적으로 참조로써 통합된다. 투명 LED들은 헬멧 비저(visor) 또는 차량 윈드스크린에서 헤드업(head-up) 디스플레이 같은 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 기판은 단단하거나 가요적일 수 있다. 기판은 플라스틱, 금속 또는 유리일 수 있다. 제 1 전극은 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO) 층 같은 높은 일(work) 함수의 홀 주입 도전체일 수 있다. 다른 제 1 전극 재료들은 갈륨 인듐 주속 산화물, 아연 인듐 주석 산화물, 티타늄 질화물, 또는 폴리아닐린을 포함할 수 있다. 제 2 전극은 예를 들어 Al,Ba,Yb,Ca, 리튬-알루미늄 합금(Li:Al), 또는 마그네슘-은 합금(Mg:Ag) 같은 낮은 일함수(예를 들어 4.0eV 이하), 전자 주입 금속일 수 있다. Mg:Ag 같은 제 2 전극은 예를 들어 대기 산화로부터 캐소드 층을 보호하기 위한 Ag 층 같은 불투명 보호 금속 층, 또는 실질적으로 투명한 ITO의 비교적 박막 층으로 커버될 수 있다. 제 1 전극은 약 500 옴스토롱 내지 4000 옴스토롱의 두께를 가질 수 있다. 제 1 층은 100 옴스트롱 내지 100nm, 100nm 내지 1 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터의 범위의 두께 같은 약 50 옴스트롱 내지 약 5 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 제 2 층은 100 옴스트롱 내지 100nm 범위, 100nm 내지 1 마이크로미터, 또는 1 마이크로미터 내지 5 마이크로미터 범위의 두께 같은 약 50 옴스트롱 내지 약 5 마이크로미터 두께를 가질 수 있다. 제 2 전극은 약 50 옴스트롱에서 약 1000 옴스트롱보다 큰 두께를 가질 수 있다.

홀 전달 층(HTL) 또는 전자 전달 층(ETL)은 무기 반도체 같은 무기 재료, 또는 유기 재료를 포함할 수 있다. 상기 층은 방출 재료의 방출 에너지보다 큰 대역 갭을 가진 임의의 재료일 수 있다.

상기 층들은 스핀 코팅, 딥 코팅, 기상 증착(vapor deposition), 스퍼터링, 또는 다른 박막 증착 방법들에 의해 전극들 중 하나의 표면에 증착될 수 있다. 제 2 전극은 고형 층의 노출된 표면 상에 샌드위치, 스퍼터링 또는 기화될 수 있다. 전극들 중 하나 또는 양쪽은 패턴화될 수 있다. 장치의 전극들은 전기적으로 도전성 경로들에 의해 전압 소스에 접속될 수 있다. 전압의 인가시, 광은 장치로부터 생성된다. 전체적으로 참조로써 각각 통합된 2005년 10월 21일 출원된 미국특허출원 11/253,612 및 둘 다 2006년 10월 21일 출원된 11/253,595, 및 11/253,612, 및 2005년 1월 11일 출원된 11/032,163을 참조하라.

전자 및 홀을 나노결정에 배치할 때, 방출은 방출 파장에서 발생할 수 있다. 방출물은 양자 한정 반도체 재료의 대역 갭에 대응하는 주파수를 가진다. 대역 갭은 나노결정의 크기의 함수이다.

개별 장치들은 디스플레이를 형성하기 위하여 단일 기판상 다중 위치들에 형성될 수 있다. 디스플레이는 다른 파장들에서 방출하는 장치들을 포함할 수 있다. 다른 컬러 방출 재료들의 어레이들을 가진 기판을 패터닝함으로써, 다른 컬러들의 화소들을 포함하는 디스플레이가 형성될 수 있다. 몇몇 애플리케이션들에서, 기판 은 백플레인(backplane)을 포함할 수 있다. 백플레인은 개별 화소들에 대한 전력을 제어 또는 스위칭하기 위한 액티브 또는 패시브 일렉트로닉스를 포함한다. 백플레인은 디스플레이들, 센서들, 또는 이미지화기들 같은 애플리케이션들에 유용할 수 있다. 특히, 백플레인은 액티브 매트릭스, 패시브 매트릭스, 고정된 포맷, 직접 드라이브, 또는 하이브리드로서 구성될 수 있다. 디스플레이는 스틸 이미지들, 이동 이미지들, 또는 조명들을 위하여 구성될 수 있다. 조명 디스플레이는 백색 광, 단색 광, 또는 컬러-조절가능 광을 제공할 수 있다. 전체적으로 참조로써 통합된 2005년 10월 21일 출원된 미국특허 출원 11/253,612를 참조하라.

상기 장치는 제어된(산소 없고 습기 없는) 환경에서 만들어지므로, 제조 처리 동안 발광 효율성의 소멸을 방지한다. 다른 다중층 구조들은 장치 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다(예를 들어 전체적으로 참조로써 각각 통합된 2003년 3월 28일 출원된 미국특허 출원 10/400,907 및 10/400,908을 참조하라). 전자 차단층(EBL), 홀 차단층(HBL) 또는 홀 및 전자 차단 층(eBL) 같은 차단 층은 상기 구조에 도입될 수 있다. 차단 층은 3-(4-비페닐닐(biphenylyl))-4-페닐-5-tert-부틸페닐-1,2,4,-트리아졸(TAZ),3,4,5-트리페닐-1,2,4-트리아졸,3,5-비스(4-tert-부틸페닐)-4-페닐-1,2,4-트리아졸, 배소큐프로인(BCP),4,4',4"-트리스{N-(3-메틸페닐)-N-페닐아미노}트리페닐아민(m-MTDATA),폴리에틸렌 디옥시시오펜(PEDOT),1,3-비스(5-(4-디페닐아미노)페닐-1,3,4-옥사디아졸-2-yl)벤젠, 2-(4-비페닐닐)-5-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸,1,3-비스[5-(4-(1,1-디메틸에틸)페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-yl]벤젠, 1,4-비스(5-(4-디페닐아미노)페닐-1,3,4-옥사디아졸-2-yl]벤젠, 또는 1,3,5-트리스[5-(4-(1,1-디메틸에틸)페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-yl]벤젠을 포함할 수 있다.

발광 장치들의 성능은 장치의 효율성 증가, 장치의 방출 스펙트럼을 좁힘 또는 넓힘, 또는 장치의 방출을 극성을 갖게 함으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, Bulovic 등에 의한, Semiconductors and Semimetals 64,255(2000), Adachi 등에 의한 Appl. Phys. Lett. 78, 1622 (2001), Yamasaki 등에 의한 Appl. Phys. Lett. 76, 1243(2000), Dirr 등에 의한 Jpn. J. Appl. Phys. 37, 1457 (1998), 및 D'Andrade 등에 의한, MRS Fall Meeting, BB6.2 (2001)를 참조하고, 그 각각은 전체적으로 참조로써 통합된다. 나노결정들은 효과적인 하이브리드 유기/무기 방광 장치들에 포함될 수 있다.

나노결정들의 좁은 FWHM은 포화된 컬러 방출을 유발할 수 있다. 이것은 나노결정 방출 장치들에서 광자(photon)들이 적외선 및 UV 방출물에 대해 손실되지 않기 때문에 심지어 가시 스펙트럼의 적색 및 청색 부분들에서도 효율적인 나노결정 발광 장치들을 유도할 수 있다. 단일 재료 시스템의 전체 가시 스펙트럼에서 넓게 조절할 수 있는 포화된 컬러 방출물은 임의의 종류의 유기 발색단에 의해 매칭되지 않는다(예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 Dabbousi 등에 의한 J. Phys. Chem. 101, 9463 (1997) 참조). 나노결정들의 모노분산 개체는 좁은 범위의 파장들에 미치는 광을 방출할 것이다. 일 이상의 크기의 나노결정을 포함하는 장치는 하나 이상의 좁은 범위의 파장들에서 광을 방출할 수 있다. 뷰어에 의해 인식되는 방출된 광의 컬러는 장치에서 나노결정 크기들 및 재료들의 적당한 결합들 을 선택하여 제어될 수 있다. 나노결정들의 대역 에지 에너지 레벨들의 퇴화는 직접적인 전하 주입에 의해 생성되든 에너지 전달에 의해 생성되든 모든 가능한 여기들의 캡쳐 및 방사 재결합을 조장한다. 그러므로 최대 이론적 나노결정-발광 장치 효율성들은 인광성 유기 발광 장치들의 단위 효율성과 유사하다. 나노결정의 여기된 상태 수명(τ)은 통상적인 인광체(τ>0.5μs)보다 매우 짧고(τ~10 ns), 높은 전류 밀도에서도 효율적으로 나노결정 발광 장치들이 작동하게 한다.

장치들은 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있도록 제공될 수 있다. 반도체 나노결정의 크기 및 재료는 나노결정이 선택된 파장의 가시광 또는 적외선 광을 방출하도록 선택될 수 있다. 파장은 300 및 2,500nm 이상, 예를 들어 300 및 400nm 사이, 400 및 700nm 사이, 700 및 1100nm 사이, 1100 및 2500nm 사이, 또는 2500nm보다 클 수 있다.

상기 장치는 모든 전달 층들의 적용 후 열적으로 처리될 수 있다. 열적 처리는 나노결정들 내로 전하 주입을 추가로 향상시킬 수 있고, 나노결정들에 유기 캡핑 그룹들을 제거할 수 있다. 캡핑 그룹들의 불안정성은 장치 불안정성에 기여할 수 있다.

보다 큰 효율성, 보다 우수한 컬러 동조성(tunability) 및 보다 작은 모양, 크기 또는 장착 상의 제한으로 인해, 백색 LED 패널들은 많은 조명 애플리케이션들에서 언젠가 백열광 또는 형광 전구들을 대체할 수 있다. 몇몇 타입의 고형 장치들은 단일 칩 InGaN 백색 LED들(WLED들), 다중 칩 WLED들, ZnSe-기반 WLED들, 및 백색 유기 LED들(OLED들)을 포함하는 효율적인 백색 발광을 이미 달성하였고(15 lm/W 내지 30 lm/W 범위), 넓은 백색 스펙트럼을 생성하기 위하여 청색 OLED 펌핑 무기 인광체들을 사용하는 단일 유니트 백색 OLED들(WOLED들), 적층된 백색 OLED들(SOLED들), 및 백색 LED들로 추가로 분할될 수 있다. 전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 Y. Shimizu 등에 의한 미국특허번호 5,998,925, Schubert, E.F. 등에 의한 Science, 2005, 308, 1274, H.Matsubara 등에 의한 미국특허 6,509,651, D'Andrade 등에 의한 Adv. Mater., 2004년, 16, 624, Kanno, H. 등에 의한 Adv. Mater. 2006, 18, 339 및 Duggal, A. 등에 의한 Appl. Phys. Lett., 2002, 80, 3470을 참조하라. 단일 칩 InGaN WLED들은 그들의 방출 프로파일들이 청색 InGaN 성분 및 노랑색 인광체 방출물(통상적으로 이트륨 알루미늄 가넷 YAG)로 구성되기 때문에, 일반적인 조명을 위한 저비용 고발광 효율 장치들을 제공하지만, 빈약한 연색 지수(CRI)로부터 고통을 받는다. 다중 칩 WLED들은 높은 연색 지수(CRI)로 유도하는 적색, 녹색, 및 청색 발광 서브 유니트들로 구성되지만, 상기 WLED들은 비교적 비싸고 서브 유니트들의 다른 품질 강하 속도로 인해 복합 피드백 시스템을 요구한다. ZnSe-기반 WLED들에서 백색 발광물은 ZnS의 청색 방출물 및 ZnSe 기판의 노랑색 방출물을 혼합함으로써 달성된다; 이들 장치들은 InGaN 바탕 LED들과 비교하여 낮은 효율성 및 짧은 수명을 가진다. 마지막으로 WOLED들 및 SOLED들은 높은 전자 인광 효율성들(WOLED들에 대해 10% 까지 및 SOLED들에 대해 30% 까지)을 가진 백색 발광을 달성하기 위하여 3가지 타입의 유기 인광체들로부터의 전자 발광을 결합한다. 그러나, 백색 전자 발광을 생성하는 유기 염료들은 일반적으로 무기 재료들보다 작은 광 안정성을 가지며, 그 품질은 소비자 전자 디스플레이들의 용도 에 제한되지 않고, 실내 조명 같은 높은 휘도 애플리케이션 용도에 도전하고 있다. 콜로이드 양자 도트들 (나노결정들)을 바탕으로 하는 LED들, 또는 나노결정-LED들 (예를 들어 전체적으로 참조로써 각각 통합된 Coe,S 등에 의한 Nature, 2002, 420, 800, Zhao,J. 등에 의한 Nano Lett, 2006, 6, 463, Mueller, A.H. 등에 의한 Nano Lett, 2005, 5, 1039를 참조), OLED들에 접근하는 디스플레이 효율성들 및 휘도에서, 나노결정 루모포어들은 가시 범위를 통한 컬러 동조성(전체적으로 참조로써 각각 통합된 Murray,C.B. 등에 의한 J. Am, Chem. Soc., 1993, 115, 8706, Hines, M.A., 등에 의한 J. Phys, Chem., 1996, 100, 468, Steckel, J. S.,에 의한 Angew, Chem, Int. Ed., 2004, 43, 2154) 뿐만 아니라 예외적인 광 안정성으로 합성될 수 있고, 본 연구에서 드러난 바와 같이 혼합된 컬러 나노결정 층으로부터 발광을 가진 고품질 컬러 렌더링을 수행하게 한다.

유기 반도체 전하 캐리어 전달 층들을 사용하는 나노결정 LED들에서의 이전 작업은 각각 2.0%, 0.5% 및 0.2%의 효율성을 가진 포화된 컬러 적색, 녹색, 및 청색(RGB) 단색 나노결정 LED들을 생성하였다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 각각 통합된 Coe, S. 등에 의한 Nature, 2002, 420, 800, Steckel, J. S. 등에 의한 Angew. Chem. Int, Ed., 2004, 43, 2154, Coe-Sullivan, S.에 의한 Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1117, S. Coe-Sullivan에 의한 PhD Thesis, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005를 참조. 다소 낮은 효율성을 구비한 나노결정-LED들은 또한, 무기 전달 층들을 사용하여 제조되었는데, 이는 공기 및 습기 민감 유기 필름들을 대 체하기 위하여 사용되었다. 전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 Mueller, A. H. 등에 의한 Nano Lett., 2005, 5, 1039 참조. 지금까지, 단지 몇 번의 시도들이 콜로이드 나노결정 방출기들을 사용하여 백색 광 LED를 제조하기 위하여 이루어졌다. 제 1 백색 나노결정 LED들 중 하나는 전체 가시 스펙트럼을 거의 커버하는 나노결정 대역 갭 안쪽의 전하 트랩 상태들(깊은 트랩 상태들)로부터 발생하는 넓은 스펙트럼 방출을 사용하였다. 전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어, Gao, M. 등에 의한 Adv. Mater.,1997, 9, 802 참조. 최근에, 유사한 방법은 전체적으로 참조로써 각각 통합된 Bowers, 등에 의한 J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 15378, 및 Chen 등에 의한 Appl. Phys. Lett., 2005, 86, 131905에 의해 연구가 이루어졌고, 여기서 깊은 트랩 나노결정 발광은 상업적으로 판매되는 외부 자외선 LED에 의해 광학여기(photoexcited)되었다. 이들 연구들에서 방출된 광은 백색을 나타내고, 깊은 트랩 방출물의 발광은 불충분하고, 재료들은 하나의 합성물 제공으로부터 다음 합성물 제공으로 쉽게 재생가능하지 않았다. 다른 방법들은 백색 LED를 생성하기 위하여 필요한 손실된 컬러 성분을 각각 제공하기 위하여 효율적인 녹색 또는 청색 발광 유기 재료들과 함께 적색(전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Y. Li 등에 의한 J. Appl. Phys., 2005, 97, 113501 참조) 또는 녹색(전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Park, J. H. 등에 의한 Nanotechnology, 2004, 15, 1271 참조) 발광 나노결정들을 사용하는 다수의 그룹들에 의해 이루어진다. 비록 이들 장치들이 이상적인 좌표들(0.33,0.33)에 근접한 우수한 CRI 및 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage) 좌표들을 나타냈지만, 이들 장치들은 OLED들의 특 징인 컬러 동조성 및 안정성 문제를 유지한다. 다른 연구들에서, 상업적으로 판매되는 InGaN 칩으로부터의 청색 방출물은 적색 및 녹색 콜로이드 나노결정들을 여기시키기 위하여 사용되었고, 나노결정 상에서 재방출물은 백색 형광 스펙트럼을 구성한다. 전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 J. Lee 등에 의한 Adv. Mater., 2000, 12 15, 1102, 및 Chen, H. -S 등에 의한 Technol. Lett., 2006, 18, 193 참조.

이제까지 논의된 모든 장치들에는 아직 적색, 녹색, 및 청색 발광 콜로이드 나노결정들의 전기 구동 발광을 사용하는 백색 LED의 임의의 조사 보고서가 없었다. 이런 이유로, 우리는 이전에 보고된 나노결정 LED와 유사한 장치 구조에 통합된 좁은 방출 대역폭을 가진 재생 가능하게 합성된 높은 양자 수율 나노결정 재료를 사용하는 효율적이고, 안정된 백색 방출 나노결정 LED를 제공한다. 전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Coe, S. 등에 의한 Nature, 2002, 420, 800 참조. 나노결정 모노층들의 제조시 최근 진보 사항들은 나노결정 방출 층(전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 Coe-Sullivan, S. 등에 의한 Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1117 및 S. Coe-Sullivan, PhD Thesis, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005) 및 캐리어 전달 층들의 독립적 처리를 허용하고, 이에 따라 단색의 장치들의 제조와 동일한 백색 또는 다중컬러 나노결정-LED들의 제조를 허용한다. 3개의 RGB 나노결정 재료들의 사용은 백색 나노결정 LED의 CIE 좌표들 및 CRI가 나노결정 증착 단계에서 각각의 나노결정들의 타입의 농도를 간단히 변화시킴으로써 조절되게 한다.

본 장치들은 홀 주입 층으로서 도전성 중합체 폴리(3,4-에틸렌디옥시시오펜):폴리(스티렌설포네이트)PEDOT:PSS 층을 가진 유리 기판의 상부의 인듐 주석 산화물(ITO) 애노드, N,N'-Bis(3-메틸페닐)-N,N'-bis(페닐)벤지딘(TPD)의 40nm 두께 홀 전달 층(HTL), 콜로이드 나노결정들의 방출 모노층, 3,4,5-트리페닐-1,2,4-트리아졸(TAZ)(나노결정 자리 근처/상기 자리에서 여기 형성 제한)의 27nm 두께 홀 차단 층(HBL), 트리스-(8-하이드록시퀴놀린)알루미늄(Alq₃)의 20nm 두께 전자 전달 층(ETL), 및 20nm 두께 은 보호 층으로 코팅된 마그네슘 은 합금의 100nm 두께 캐소드로 구성된다(도 5 참조). 백색 LED의 적색, 녹색 및 청색 스펙트럼 성분들을 달성하기 위한 3가지 타입의 콜로이드 합성 나노결정들(실험 섹션 참조)은 사용되었다. 적색 나노결정 용액은 파장 λ=620nm에서 광학발광 피크를 가진 CdSe/ZnS 코어 쉘 나노결정들로 구성된다. 녹색 나노결정 용액은 λ=540nm에서 광학 발광 피크를 가진 ZnS로 오버코팅된 ZnSe/CdSe 합금 코어들로 구성된다. 마지막으로, 청색 나노결정 용액은 λ=440nm에서 광학 발광 피크를 가진 ZnCdS 합금 나노결정들로 구성된다. 백색 나노결정 LED들에 대한 나노결정 용액들은 표면 커버리지에 따라 R:G:B에 대해 1:2:10의 비율을 가진 적색, 녹색, 및 청색 나노결정 용액들을 혼합함으로써 제공되었다.

적색, 녹색, 청색 및 백색 발광 나노결정 LED들에 대한 전자 발광 스펙트럼은 비디오 휘도 근처에서 측정된다(도 4). 적색 및 녹색 나노결정 LED들의 전자 발광은 각각 (0.65, 0.34) 및 (0.31, 0.65)의 CIE 좌표들을 가진 콜로이드 나노결정들의 컬러 포화 광학 발광 스펙트럼 특성에 해당한다. 청색 발광 나노결정 LED 스펙트럼은 지배적인 나노결정 성분 및 보다 약한 Alq₃ 및 효율적인 에너지 전달(전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Forster, Th.에 의한 Annalen der Physik, 1948, 6, 55, 및 Kuhn, H., J.에 의한 Chem. Phys., 1970, 53, 101 참조) 및 Alq₃에 의해 깊은 청색 나노결정 발광의 다운컨버션(downconversion)(Alq₃ 흡수 및 청색 나노결정 광학 발광의 스펙트럼 오버랩으로부터 예상됨)을 가리키는 TPD 방출물을 가진다. 대조하여, TPD 광학 발광 및 청색 나노결정 흡수의 스펙트럼 오버랩은 TPD로부터 청색 발광 나노결정들로 에너지 전달을 통하여 TPD 전자발광의 완전한 소멸을 제공하기에 불충분하다. 청색 나노결정 LED들의 CIE 좌표들은 (0.19, 0.11)이다. 홀 차단 TAZ 층의 존재로 인해, 청색 나노결정 모노층이 나노결정 - Alq₃ 에너지 전달을 억제하는 Alq₃ 필름 및 Alq₃ 발광으로부터 물리적으로 분리된다. 그러나, 이전 연구는 TAZ 필름이 나노결정들을 캡핑하는 지방족 유기물들을 가진 방향족 TAZ의 화학적 비호환성으로 인해, 나노결정 모노층 상에서 성장될 때 편평하지 않은 것을 나타낸다 (전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Coe, S. 등에 의한 Nature, 2002, 420, 800 참조). 이것은 청색 나노결정 LED들의 Alq₃ 전자발광에 기여하는 나노결정 모노층의 몇몇 부분들과 Alq₃의 물리적 접촉을 유도한다.

백색 나노결정 LED의 방출 스펙트럼(도 4)은 적색, 녹색 및 청색 나노결정 전자 발광 성분들의 표시된 기여 부분을 도시한다. TPD 전자 발광 신호는 적색 및 녹색 나노결정들에 유효 에너지 전달로 인해 크게 소멸된다. Alq₃는 청색 나노결정 LED들과 유사한 백색 나노결정 LED 스펙트럼의 약한 스펙트럼 특징을 여전히 나타낸다. 백색 나노결정 LED 화소들은 균일하게 발광하고, 5500K 흑체 참조부와 비교할 때 9V 인가 바이어스 및 86의 CRI에서 CIE 좌표들 (0.35,0.41)을 가지는 "백색"으로 눈에 보인다(도 3). 상기 높은 CRI는 "냉 백색" 형광체(CRI=62), 백열광체(CRI=100), 및 염료 강화 InGaN/GaN 고형 LED들(CRI>80) 같은 다른 현대적 백색 광 소스들에 유리하게 비교된다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 Krames, M. R. 등에 의한 Phys. Stat. Sol. A, 2002, 192, 237을 참조.

단색 나노결정 LED들에 대한 피크 외부 발광 양자 효율성들(EQE들)은 적색 장치들에 대해 4.6V(0.29mA/cm²)에서 1.6%, 녹색 장치들에 대해 5.2V(0.63mA/cm²)에서 0.65%, 청색 장치들에 대해 9.1V(1.73mA/cm²)에서 0.35%로 측정된다 (도5). 이들 값들은 이전 보고서들보다 75% 이상 효율적인 청색 나노결정 LED들 (전체적으로 참조로써 통합된 예를 들어 Steckel, J. S. 등에 의한 Angew, Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2154 참조)을 가진 이전에 보고된 나노결정 LED들과 모두 동일한 정도의 크기이다(전체적으로 참조로써 각각 통합된 예를 들어 Coe, S. 등에 의한 Nature, 2002, 420, 800, Steckel, J. S. 등에 의한, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2154, Coe-Sullivan, S. 등에 의한 Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1117, 및 S. Coe-Sullivan, PhD Thesis, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005 참조). 백색 나노결정 LED의 피크 EQE는 0.44 Cd/A 및 0.28 lm/W, 및 142 cd/m²의 휘도에 대응하는 5.0V에서 0.36% (1.51 mA/cm²)이다 (도 5).

적색, 녹색 및 청색 나노결정 LED들의 EQE들 사이의 중요한 차이는 이들 장치들에 대한 다른 작동 메카니즘들에서 발생할 수 있다. 나노결정 LED들을 위하여 제안된 두 개의 가장 일반적인 작동 메카니즘들(예를 들어, 전체적으로 참조로써 통합된 S. Coe-Sullivan에 의한 PhD Thesis, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005 참조) 은 다음과 같을 수 있다: 제 1 메카니즘에서, Alq₃/TAZ 및 TPD에 의해 전달되는 전자들 및 홀들은 각각 나노결정들에 직접 주입되고 여기서 방사상 재결합할 수 있는 여기자들을 형성한다. 제 2 메카니즘에서, TPD상에 형성된 여기자들은 나노결정들에 에너지를 공진하여 전달하고 그 다음 방사한다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 Forster, Th.에 의한 Annalen der Physik, 1948, 6, 55 및 Kuhn, H.에 의한 J. Chem. Phys., 1970, 53, 101을 참조하라. 만약 청색 장치들에 대해 상기된 바와 같이 TAZ 홀 차단 층에 결함들이 있다면, Alq₃ 필름은 또한, 나노결정들과 부분 접촉할 것이고 더 강력한(energetic) 청색 나노결정들에서 에너지를 취하거나, 이를 다시 적색 나노결정들에 전달할 수 있다.

적색 나노결정 LED들에서, 양쪽 직접적인 전하 주입 및 TPD 및 Alq₃로부터의 에너지 전달은 이들 장치들의 높은 EQE들에 기여한다. 녹색 나노결정 LED들에서, 직접적인 전하 주입은 만약 녹색 및 적색 나노결정 전자 그라운드 상태들이 유사한 에너지이면(도 6 참조) 적색 나노결정 LED들과 유사할 수 있다. 또한, TPD로부터 녹색 나노결정들로 에너지 전달은 TPD 방출 및 녹색 나노결정 흡수 스펙트럼의 상당한 오버랩으로 인해 충분하여야 한다. 그러나, 형성된(TAZ 층 결함들로 인해) 임의의 Alq₃ 여기자들은 유사한 에너지의 녹색 나노결정 여기자들에 에너지를 전달하지 않고 Alq₃ 분자들을 릴렉스한다. 게다가, 이들 실험들에 사용된 녹색 나노결정 용액(∼65%)들의 광학 발광 효율성은 녹색 나노결정 LED들의 보다 낮은 효율성에 기여하는 적색 나노결정 용액들(90%)보다 낮다. 청색 장치들에서 보다 낮은 효율성에 대한 가능한 이유들 중 하나는 TPD로부터 청색 나노결정들로 홀 주입의 효력으로 기인할 수 있다. 비록 우리가 적색 및 녹색 나노결정들에 전자 주입과 유사할 Alq₃/TAZ로부터 청색 나노결정에 전자 주입을 예상할 수 있지만, TPD로부터 청색 나노결정들로 홀 주입은 보다 높은 턴온 전압들을 유도하고 청색 나노결정 LED들의 EQE들을 낮추는(도 5) 부가적인 전위 장벽에 의해 차단될 수 있다. 이런 부가적인 장벽은 TPD 홀 전달 에너지 레벨을 가진 청색 나노결정 그라운드 상태 전자들의 대역 구성, 또는 선택적으로 청색 나노결정들을 캡핑하는 유기 그룹들을 통한 터널링을 위하여 필요한 에너지 차로 인한 것일 수 있다. 부가적으로, TPD 필름으로부터 청색 나노결정들로 에너지 전달은 적색 또는 녹색 나노결정들에 대해 효율적이지 않고, 동시에 청색 나노결정들은 Alq₃ 분자들에 여기자를 효율적으로 전달할 수 있다. 이것은 나노결정 모노층 및 TAZ 필름의 결함들이 유기 층들을 통하여 직접적으로 전하를 전달하고, 따라서 나노결정들 자체 내에서보다 TPD 및 Alq₃ 층들 내에 보다 효율적인 여기자가 형성되도록 유도하기 때문에 청색 나노결정 LED들에 대하여 부가적인 도전을 제기한다. 녹색 및 적색 나노결정들의 경우, 나노결정 모노층의 갭들에 형성된 여기자들은 나노결정들에 공진하여 전달될 수 있지만, 청색 나노결정들의 경우 이들 여기자들은 방사상으로 재결합하여 나노결정 LED 전자발광 스펙트럼에서 관찰된 TPD 및 Alq₃ 스펙트럼 특징들에 기여한다.

백색 나노결정 LED들이 전하 주입에 대해 다른 응답을 가진 3가지 타입의 나노결정들을 포함하기 때문에, 우리는 전자 발광 스펙트럼이 장치 구동 조건들에 따르는 것을 기대한다. 도 4(a)에서, 우리는 5V 내지 9V 사이에서 인가된 바이어스를 변화시킬 때 백색 나노결정 LED에서 전자 발광 스펙트럼 컬러 시프트를 도시하고, 이에 따라 도 4(c)에 도시된 바와 같이 CIE 좌표들 및 CRI가 약간 변화한다. 전압 증가로 인해, 우리는 시작시 지배적인 녹색 나노결정 스펙트럼 성분과 비교하여 백색 나노결정 LED 스펙트럼에서 적색 및 청색 나노결정 스펙트럼 성분들의 증가를 관찰한다. 이런 효과는 부분적으로, 적색, 녹색 및 청색 단색 나노결정 LED들(도 5(a))의 전류-전압(IV) 특성들의 분석 및 도 6의 제안된 에너지 대역 도면에 의해 설명될 수 있다. 청색 나노결정 LED는 적색 및 녹색 장치들보다 높은 전압에서 비디오 휘도에 도달한다. 모든 전류들에 대해 청색 나노결정 LED의 보다 높은 저항은 청색 나노결정들에 홀 주입에 대한 보다 높은 에너지 장벽 때문이고, 청색 나노결정 여기자를 생성하기 위하여 보다 높은 인가 전압을 요구한다. 백색 나노결정 LED에서, 혼합된 나노결정 필름에 전하 주입은 낮은 인가 바이어스(5V)에서 녹색 및 적색 나노결정들로의 주입에 의해 주도된다. 적색 나노결정들이 있을 때 나노결정 혼합물이 두 배 많은 녹색 나노결정들을 포함하기 때문에, 녹색 나노결정들의 더 큰 일부는 낮은 인가 바이어스에서 적색 나노결정 전자 발광과 비교할 때 보다 강력한 녹색 전자 발광 성분에 기여한다. 녹색 나노결정들로부터 적색 나노결정들로 공진 에너지 전달은 적색 나노결정 다음에 녹색 나노결정을 배치할 가능성이 작기 때문에, 혼합된 나노결정 모노층의 청색 나노결정들과 비교할 때 비교적 작은 수의 적색 및 녹색 나노결정들 모두에 의해 억제된다. 보다 높은 인가된 바이어스들에서, 청색 나노결정들에 전하 주입은 보다 효율적이 되고, 청색 나노결정들의 전자 발광 성분은 보다 중요하게 된다. 청색 나노결정들로부터 적색 및 녹색 나노결정들로 여기 에너지 전달로 인해 청색 나노결정들 상에 증가된 여기자 형성은 적색 및 녹색 나노결정 발광에 바람직하다. 적색 나노결정들에 에너지 전달이 증가된 스펙트럼 오버랩으로 인해 녹색 나노결정들보다 더욱 효과적이고, 그 결과 청색 나노결정 발광의 증가로 인해(보다 높은 작동 전압들에서), 적색 나노결정 발광은 녹색 나노결정 발광보다 많이 발생한다. 혼합된 나노결정 모노층에서 대다수인 청색 나노결정들상 여기자 형성은 단색 청색 나노결정 LED들의 효율성을 근접하게 추종하는 백색 나노결정 LED들의 유효 데이터에 반영되는 바와 같이 백색 장치의 전체 효율성을 관리한다.

백색 나노결정 LED의 작동은 모든 단색 나노결정 LED들에서 동일한 전자 전 달, 홀 차단, 및 홀 전달 층들의 사용에 의해 수행된다. 페인트 가게의 컬러들 혼합과 유사하게, 이상적인 장치에서 나노결정들의 용액들은 임의의 목표 되는 스펙트럼을 달성하기 위하여 정밀하게 혼합될 수 있다. 이것은 가장 우수한 OLED들의 동조성을 능가하는 나노결정-LED 소스들의 유일한 능력이고 나노결정 LED 디자인의 단순성 및 나노결정 루모포어들의 컬러 순도로부터 발생한다. 완전한 백색 나노결정 LED들의 시뮬레이트된 방출 스펙트럼의 예는 도 7에 도시되고, 여기서 40nm FWHM 넓은 스펙트럼을 가진 5개의 나노결정 루모포어들을 사용함으로써, 백색 광 소스는 (0.33,0.35)의 CIE 좌표들 및 CRI=98을 가지도록 구성된다. 상기 시뮬레이트된 장치가 스펙트럼의 UV 또는 IR 부분에서 광자들을 방출하지 않고, 발광 효율성을 최대화하는 것이 주의된다.

도 8을 참조하여, 각각 라벨된 적색, 녹색 및 청색 반도체 나노결정("QD") 흡수 스펙트럼은, 또한 각각 라벨된, 스펙트럼 오버랩들을 나타내는 TPD 및 Alq₃ 광학 발광 스펙트럼과 함께 도시된다.

이것은 스펙트럼이 나노결정들의 성분 혼합물인 전자 발광 장치들을 생성하기 위하여 혼합된 나노결정 필름들을 사용할 가능성을 나타낸다. 따라서 백색 발광 나노결정 LED들은 나노결정 방출기들의 부가된 내구성 및 컬러 동조성과 함께 저비용 재료들, 패터닝 및 가요성 기판들, 및 비교적 높은 효율성들을 포함하는 백색 OLED들의 모든 매력들을 제공한다. 이와 같이, 이런 나노결정 LED 백색 광 방출기는 새롭고, 보다 다양한 혼합된 스펙트럼을 개발하는데에 나노결정들을 사용하 고 백색 광 기술들을 사용하기 위한 제 1 단계일 수 있다.

실험

합성:

적색, 녹색 및 청색(RBG)을 나타내는 3개의 컬러들을 생성하기 위하여, 우리는 3개의 다른 타입의 콜로이드 양자 도트들(나노결정들)을 사용하였다. 제 1 타입의 나노결정은 λ=622nm에서 최대 광학 발광을 가진 CdSe/ZnS 오버코팅된 코어-쉘 나노결정이다. 제 2 타입은 λ=540nm 주변의 광학 발광 최대치를 가진 ZnSe/CdSe/ZnS 코어-쉘/합금 오버코팅 나노결정들이다. 제 3 타입은 λ=440nm 주변에서 광학 발광 최대치를 가진 CdZnS 합금 나노결정 코어들이다. 이들 3가지 타입의 나노결정들은 함께 RGB 컬러 방법의 성분 부분들을 구성한다. 좁은 분산들 및 최대 양자 수율을 가진 특정 파장 방출기들을 달성하기 위하여 보고된 표본들로부터 나노결정 합성물들은 주로 채택된다(전체적으로 참조로써 각각 통합되고 예를 들어 Ivanov, S.A. 등에 의한 J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 10625 및 Zhong, X., 등에 의한 J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 13559 참조). 컬러 방출 타켓들은 각각 λ=620nm, λ=530nm 및 λ=470nm에서 사람 눈의 RGB에 대한 최대 검출 영역들에 가장 잘 일치하고, 따라서 가장 밝은 가능한 상황을 달성하도록 선택된다.

Quantum Dot Corporation으로부터 구매한 적색 CdSe/ZnS 코어-쉘 나노결정들은 λ=622nm에서 광학 발광 피크, 및 거의 90%의 용액 광학 발광 양자 수율을 나타낸다.

녹색 방출 광자 도트들은 전체적으로 참조로써 통합된 Ivanov 등에 의한 J. Phys. Chem. B, 2004. 108, 10625로부터 채택된 ZnSe/CdSe 합금 코어들을 생성하고, 추후 Zns로 오버코팅됨으로써 제공되었다. 이렇게 하기 위하여, ZnSe 코어들은 디에틸 아연, 트리옥틸포스핀 셀레나이드(TOP-Se) 및 TOP 용액을 310℃에서 헥사데실아민(HDA) 한 플라스크에 주입함으로써 우선 제공되었다. 그 다음 코어들은 제 1 흡수 피크가 λ=354nm일 때까지 ∼2 시간 동안 270℃에서 성장되었다. 그 다음 ZnSe의 높은 대역 갭으로 인해 여전히 명확하게 보이는 용액은 150℃로 냉각되었고, 즉각적으로 5ml의 성장 용액들은 TOPO 및 헥시포스포닉 액시드(HPA)의 가스 배출 용액에 주입되었다. 주입 시 바로, 디메틸 카드뮴, TOP-Se 및 TOP의 용액은 용매/ZnSe 혼합물에 방울 형태(dropwise)로 부가되었고, 상기 용액은 방출이 λ=540nm 였을때까지 ∼19 시간(단지 2일) 동안 150℃에서 가열되었다. ZnSe 및 CdSe로 만들어진 이들 코어들은 메탄올/부탄올을 사용하여 두 번 침전되고, 헥산에서 재용해(redissolved)된다. 이런 용액은 가스 제거 TOPO 및 HPA의 플래스크에 80℃에서 주입되고, 헥산은 1 시간 동안 진공하에 놓여진다(pulled off). 하나는 디메틸 카드뮴, 디에틸 아연 및 TOP를 포함하고, 제 2 용액은 TMS₂-S 및 TOP를 포함하는 두 개의 용액들은 ∼2 시간 동안 2 ml/hr의 속도로 주사기 펌프에 의해 서서히 150℃에서 플래스크에 부가되고, 그 후 상기 용액은 실온으로 냉각되었다. 나노입자들은 상기된 바와 같이 메탄올/부탄올을 사용하여 침전될 수 있고 헥산에서 다시 분산된다. 이런 처리는 3번 수행되고, 0.2㎛ 필터로 각각의 분산 후 필터링, 및 최종 단계에서 클로로포름에서 재용해됨: ZnSe/CdSe/ZnS의 양자 수율이 기준(에 탄올에서 89% 양자 수율(전체적으로 참조로써 통합된 Fletcher, A.N. 등에 의한 Appl. Phys., 1978, 16, 289))으로서 쿠마린(coumarin)(540)을 사용하여 ∼65%로 측정된다.

청색 방출 ZnCdS 코어들은 몇몇 변형들과 함께 올레산 및 옥타데신에 용해되는 CdO 및 ZnO의 깨끗한 용액을 포함하는 아르곤 하에서 310℃로 플라스크에 올레일아민 및 엘리먼트 황(elemental sulfur)을 포함하는 주사기를 주입함으로써 제공되었고, 이는 전체적으로 참조로써 통합된 Zhong 등에 의한 J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 13559를 참조하라. 용액은 깨끗한 것에서 노랑색으로 빠르게 변화되고 ∼30분 동안 270℃에서 포트(pot)에서 서로 섞여(stirring) 유지된다. 그 후 ZnCdS 코어들은 성장 용액에 아세톤의 부가에 의해 침전되고 원심분리에 의해 상청액으로부터 분리된다. 그 다음 나노결정들은 상기된 바와 같이 클로르포름에서 원심분리되고 재분산된 메탄올/부탄올을 사용하여 제 2 시간에서 침전된다. ZnCdS 코어들에 대한 양자 수율은 기준으로서 코마린(480)을 사용하여 ∼48%인 것으로 발견되었다(에탄올에서 99% 양자 수율, 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 Kubi, R. F.; A. N. Fletcher; Chem. Phys. Lett., 1983, 99 l, 49 참조).

장치 제조

모든 나노결정들은 클로르포름의 나노입자 용액들로서 수용되고, 저장되고 처리되었다. 용액 농도들은 스핀-캐스팅(도 3) 시 나노결정 모노층을 형성하기 위하여 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 캘리브레이트되었다. 모든 유기 필름들 (PEDOT:PSS 제외)은 <5×10^-7 토르의 압력 및 ∼0.1nm/s의 속도로 열적으로 기화되었다. PEDOT:PSS 필름들은 ITO 기판들 상에 스핀-캐스팅되고, N₂ 환경에서 15분 동안 110℃로 구워진다. 나노결정-LED들 및 AFM 샘플들을 위한 ITO 기판들은 다중 단계 용매 세척 처리로 세척되었고 그 다음 O₂ 플라즈마에 5분간 노출되었다. 나노결정 LED들은 유리 커버슬립 및 UV 경화 에폭시를 사용하여 N₂ 글러브박스(glovebox)에 패키지 되었다. 전류-전압 특성들 및 양자 효율성 측정치들은 반도체 파라미터 분석기 HP 4145B 및 캘리브레이트된 광다이오드 뉴포트 2101로 얻어진다. 포토매트릭 (photometric) 유니트들(cd/m²)의 장치 휘도는 전자 발광의 람베르시안 분배를 가정한 순방향 시청 방향으로 계산되었다. 예를 들어 전체적으로 참조로써 통합된 Greenham, N. C 등에 의한 Adv. Mater., 1994, 6, 491을 참조하라.

다른 실시예들은 다음 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims

다수의 반도체 나노결정들을 포함하는 방출 층을 포함하는 발광 장치로서,

상기 다수의 반도체 나노결정들은 여기 시 백색 광을 생성하는, 발광 장치.
발광 장치로서,

제 1 전극;

제 1 전극과 접촉하는 홀 주입 층;

홀 주입 층과 접촉하는 홀 전달 층;

홀 전달 층과 접촉하는 홀 차단 층;

홀 차단 층과 접촉하는 전자 전달 층;

전자 전달 층과 접촉하는 제 2 전극; 및

전자 전달 층 및 홀 차단 층 사이에 있는 다수의 반도체 나노결정들;

을 포함하고, 상기 다수의 반도체 나노결정들은 여기될 때 적어도 두 개의 별개의 컬러 방출물을 포함하는, 발광 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 투명 전극인, 발광 장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 홀 주입 층은 도전성 중합체를 포함하는, 발광 장치.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀 전달 층은 벤지딘을 포함하는, 발광 장치.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 홀 차단 층은 트리아졸을 포함하는, 발광 장치.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 전달 층은 금속 복합체를 포함하는, 발광 장치.
제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 금속을 포함하는, 발광 장치.
제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 반도체 나노결정들은 여기될 때 적어도 3개의 별개의 컬러 방출물들을 포함할 수 있는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노결정들은 적색, 녹색 및 청색 발광 나노결정들을 포함하는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 나노결정은 코어를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 코어상에 오버코팅을 더 포함하고, 상기 오버코팅은 제 2 반도체 재료를 포함하는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 적어도 0.20%의 외부 양자 효율성을 가지는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 (0.35,0.41)의 CIE 좌표들을 가지는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 5500K 검정 바디 기준과 비교할 때 86의 연색 지수(CRI)를 가지는, 발광 장치.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 발광 장치를 형성하는 방법으로서,

제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 다수의 반도체 나노결정들을 배치하는 단계를 포함하는, 발광 장치 형성 방법.
광 생성 방법으로서,

제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 광-생성 전위를 인가하는 단계를 포함하는, 광 생성 방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 발광 장치들을 포함하는 디스플레이.